Élimination de la carbamazépine dans les eaux usées par ozonation

Dans des conditions adaptées, l’ozonation permet d’obtenir un abattement très élevé de la carbamazépine initiale. Toutefois, sa transformation génère des sous-produits qui doivent être pris en considération dans l’évaluation globale du traitement.

OXYTRADING accompagne les exploitants de stations d’épuration, les industriels et les bureaux d’études dans l’évaluation et l’intégration de solutions d’ozonation pour le traitement des micropolluants.

1. Qu’est-ce que la carbamazépine ?

La carbamazépine est une substance pharmaceutique utilisée notamment dans le traitement de certaines formes d’épilepsie et de douleurs neuropathiques. Sa formule moléculaire est C15H12N2O et sa masse molaire est d’environ 236,3 g/mol.

Après consommation et excrétion, la carbamazépine et certains de ses métabolites peuvent rejoindre les réseaux d’assainissement. Cette molécule peut également être présente dans certains effluents issus des activités pharmaceutiques.

La carbamazépine est particulièrement intéressante dans le domaine du traitement de l’eau pour plusieurs raisons :

• elle est détectée dans différents milieux aquatiques ;
• elle présente une persistance significative dans certaines filières de traitement biologique ;
• elle peut être utilisée comme composé indicateur pour étudier le devenir des micropolluants ;
• elle réagit rapidement avec l’ozone moléculaire.

Cette dernière propriété explique l’intérêt de l’ozonation comme traitement complémentaire.

2. Pourquoi les traitements biologiques conventionnels éliminent-ils difficilement la carbamazépine ?

Les stations d’épuration conventionnelles sont principalement conçues pour réduire la pollution organique biodégradable, les matières en suspension et, selon leur configuration, les nutriments.

Certains résidus pharmaceutiques présentent cependant une faible biodégradabilité dans les conditions habituelles d’exploitation.

La carbamazépine fait partie de ces substances persistantes. Son élimination par les traitements biologiques classiques peut être limitée et variable.

Cette persistance justifie l’étude de traitements complémentaires permettant de cibler plus spécifiquement les molécules organiques résiduelles.

Parmi ces technologies figurent :

• l’ozonation ;
• l’adsorption sur charbon actif ;
• les procédés d’oxydation avancée ;
• certaines filières membranaires ;
• les combinaisons d’ozonation et de traitement biologique complémentaire.

OXYTRADING présente les principes de ces applications dans son article consacré au traitement des micropolluants par ozonation.

3. Pourquoi l’ozone est-il particulièrement efficace sur la carbamazépine ?

L’ozone est un oxydant électrophile capable de réagir directement avec certaines fonctions chimiques des molécules organiques.

La carbamazépine comporte une double liaison au sein de sa structure tricyclique. Cette fonction constitue un site particulièrement réactif vis-à-vis de l’ozone.

La réaction directe avec l’ozone est caractérisée par une constante cinétique de second ordre de l’ordre de : k(O3) = 3 × 10⁵ L·mol^-1·s^-1.

Cette valeur traduit une très forte réactivité moléculaire.

En présence d’une exposition suffisante à l’ozone dissous, la concentration en carbamazépine initiale peut donc diminuer rapidement.

Cette propriété explique pourquoi la carbamazépine est souvent utilisée comme substance représentative pour caractériser l’abattement de certains micropolluants fortement réactifs à l’ozone.

4. Quels taux d’élimination peut-on obtenir ?

Des applications ont mis en évidence des abattements très importants de la carbamazépine lors de traitements par ozonation.

Ces résultats démontrent une excellente aptitude de l’ozone à transformer la carbamazépine, mais ils ne constituent pas des garanties de performance pour toutes les eaux.

En conditions industrielles, l’efficacité dépend notamment :

• de la composition de l’eau ;
• de la concentration en carbone organique dissous ;
• de la demande globale en ozone ;
• du pH et de la température ;
• de l’exposition réelle à l’ozone dissous ;
• des composés concurrents ;
• de la qualité de l’injection et du transfert gaz-liquide.

La concentration initiale en carbamazépine ne permet donc pas, à elle seule, de dimensionner un générateur d’ozone.

5. Quels sous-produits apparaissent lors de l’ozonation ?

La disparition de la carbamazépine initiale correspond à une transformation chimique. Elle ne signifie pas nécessairement que le carbone organique de la molécule a été totalement minéralisé en dioxyde de carbone.

La réaction avec l’ozone provoque notamment une modification de la structure moléculaire de la carbamazépine.

Plusieurs produits de transformation ont été identifiés, notamment :

• BQM : un dérivé quinazolinone comportant un groupement benzaldéhyde ;
• BQD : un dérivé quinazolinedione comportant un groupement benzaldéhyde ;
• BaQD : un dérivé quinazolinedione comportant un groupement acide benzoïque ;
• d’autres produits formés au cours de réactions successives.

• Transformation de la carbamazépine : diminution de la concentration de la molécule initiale.
• Élimination des produits de transformation : traitement complémentaire des composés formés après réaction.
• Minéralisation : conversion poussée de la matière organique en espèces minérales.

Un abattement proche de 100 % de la carbamazépine ne démontre pas, à lui seul, une disparition totale des produits de réaction ni une innocuité de l’eau traitée.

6. Pourquoi associer l’ozonation à un post-traitement biologique ?

Lors d’une ozonation, certaines molécules organiques complexes peuvent être transformées en composés plus accessibles à une dégradation biologique ultérieure.

Cette propriété rend particulièrement intéressante l’association de l’ozone avec une étape de traitement biologique complémentaire.

Une filière peut notamment comprendre :

1. un traitement biologique conventionnel ;
2. une séparation des matières en suspension ;
3. une étape d’ozonation tertiaire ;
4. une biofiltration ou un autre post-traitement adapté ;
5. un contrôle analytique de la qualité finale.

La biofiltration peut favoriser l’élimination de certains produits d’oxydation biodégradables. Elle ne garantit cependant pas l’élimination de tous les produits de transformation.

Selon les objectifs de traitement, l’ozonation peut également être couplée au charbon actif.

Pour comprendre le positionnement de l’ozone dans la filière, consultez notre article sur les différences entre pré-ozonation et post-ozonation.

7. Traitement de la carbamazépine en station d’épuration

Dans une station d’épuration urbaine, la carbamazépine peut subsister après les étapes de traitement biologique.

L’ozonation tertiaire peut alors être étudiée pour réduire les concentrations de cette molécule et d’autres micropolluants présentant une forte réactivité vis-à-vis de l’ozone.

Les installations doivent cependant être évaluées à l’échelle de l’ensemble des micropolluants présents et non sur la seule carbamazépine.

En effet, certains composés présentent une réactivité beaucoup plus faible et peuvent imposer des conditions de traitement différentes.

L’intégration d’une ozonation tertiaire doit également tenir compte des exigences environnementales, de la qualité des rejets et de la formation éventuelle de sous-produits.

Découvrez également les applications de l’ozone dans les projets de réutilisation des eaux usées traitées.

8. Traitement des effluents pharmaceutiques industriels

Les effluents issus de certaines activités pharmaceutiques peuvent présenter des concentrations et des compositions très différentes des eaux usées urbaines.

Ils peuvent notamment contenir :

• des molécules pharmaceutiques actives ;
• des solvants ;
• des matières organiques diverses ;
• des sels dissous ;
• des substances susceptibles de consommer l’ozone avant qu’il ne réagisse avec le polluant ciblé.

Dans ces conditions, la forte réactivité chimique de la carbamazépine avec l’ozone ne suffit pas à garantir un traitement économiquement viable.

Un effluent fortement chargé en DCO peut nécessiter une étape de prétraitement avant l’ozonation.

L’objectif est de limiter la consommation inutile d’ozone par les composants qui peuvent être éliminés par des procédés conventionnels.

Le positionnement de l’ozone en finition peut ainsi améliorer la sélectivité globale du procédé.

9. Quelle dose d’ozone prévoir pour traiter la carbamazépine ?

Il n’existe pas de dose universelle applicable à toutes les eaux contenant de la carbamazépine.

La dose doit être déterminée en fonction de la matrice, de l’objectif d’abattement et des autres substances présentes.

Pour les eaux usées traitées, les études de dimensionnement peuvent notamment exprimer la dose spécifique d’ozone en fonction du carbone organique dissous, selon un rapport en mg d’O3 par mg de COD.

Cette approche permet de prendre en considération la charge organique globale de l’eau.

Il faut également distinguer :

• la production d’ozone du générateur, exprimée en g/h ;
• la dose d’ozone appliquée, exprimée en mg/L ;
• la quantité réellement transférée dans l’eau ;
• l’ozone consommé pendant les réactions ;
• l’exposition à l’ozone dissous, liée à la concentration et au temps de contact.

Le dimensionnement d’une installation ne doit donc pas être déduit directement d’une concentration initiale en carbamazépine exprimée en microgrammes par litre.

Une étude de consommation d’ozone sur l’eau réelle est nécessaire lorsque les contraintes de traitement et les investissements le justifient.

10. Quels paramètres analyser avant de dimensionner une installation ?

Pour évaluer une application d’ozonation destinée au traitement de la carbamazépine, les paramètres suivants sont utiles :

• débit moyen et maximal ;
• concentration initiale en carbamazépine ;
• concentration cible ou taux d’abattement souhaité ;
• COD, DCO et, selon les objectifs, COT ;
• pH et température ;
• nitrites et autres espèces réductrices ;
• bromures et risque de formation de bromates ;
• concentrations des autres micropolluants ;
• composition ionique et caractéristiques de la matrice ;
• exigences de rejet ou de réutilisation.

La présence de bromures doit être examinée avec attention. Leur oxydation pendant l’ozonation peut conduire à la formation de bromates, composés indésirables dont la maîtrise peut conditionner la faisabilité du procédé.

Le choix des paramètres analytiques dépend également des objectifs environnementaux du site.

11. Quelle architecture d’ozonation envisager ?

Pour un traitement tertiaire de micropolluants, une installation peut comprendre :

1. un générateur d’ozone alimenté en oxygène ;
2. un système d’injection par Venturi ou un autre dispositif de transfert adapté ;
3. un système de recirculation ou une boucle secondaire ;
4. un réacteur de contact dimensionné pour assurer les conditions de réaction ;
5. des instruments de mesure et de sécurité ;
6. un destructeur d’ozone résiduel gazeux ;
7. un post-traitement biologique ou adsorbant, si nécessaire.

Le choix dépend du débit, des conditions hydrauliques, de la charge en micropolluants et de la qualité de l’eau traitée.

Le dimensionnement de l’ozone, du transfert gaz-liquide et des systèmes de sécurité doit être étudié comme un ensemble cohérent.

12. Comment vérifier la performance de l’ozonation sur la carbamazépine ?

La performance doit être contrôlée par des analyses réalisées avant et après traitement.

Pour la carbamazépine, les méthodes analytiques reposent généralement sur des techniques chromatographiques adaptées aux faibles concentrations, notamment la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse.

Un protocole d’essai peut comprendre :

• la mesure de la concentration initiale ;
• l’application de plusieurs doses d’ozone ;
• la détermination de la concentration résiduelle ;
• la caractérisation des principaux produits de transformation lorsque cela est nécessaire ;
• la vérification de la formation de sous-produits indésirables ;
• l’évaluation de la qualité de l’eau après post-traitement.

Pour une eau contenant plusieurs micropolluants, il est recommandé de suivre plusieurs molécules présentant des réactivités différentes vis-à-vis de l’ozone.

Cette démarche permet d’évaluer plus précisément la capacité du procédé à répondre à l’objectif global de traitement.

13. OXYTRADING : étude de faisabilité et solutions d’ozonation

OXYTRADING accompagne les industriels, les exploitants d’installations de traitement de l’eau et les bureaux d’études dans l’intégration de systèmes d’ozonation.

Nous intervenons notamment dans :

• l’analyse des objectifs de traitement ;
• l’étude des caractéristiques de l’eau ;
• l’évaluation de la pertinence de l’ozonation ;
• la définition d’un protocole d’essais lorsque nécessaire ;
• le dimensionnement du générateur d’ozone et de l’injection ;
• l’intégration du procédé dans une filière existante ;
• la définition des équipements de contrôle et de sécurité.

Votre eau contient de la carbamazépine ou d’autres résidus pharmaceutiques ?

Vous pouvez nous transmettre vos analyses, le débit de traitement et les concentrations cibles afin d’étudier la pertinence d’un traitement complémentaire par ozonation.

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